《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》是上海微電子裝備有限公司於2011年8月22日申請的專利，該專利的公布號為CN102955368A，授權公布日為2013年3月6日，發明人是陳勇輝、吳立偉、張俊。
《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》公開一種步進光刻設備，包括：一照明單元，用於提供曝光光束；一工件台，用於支撐一基底在大行程範圍內進行六自由度運動；一掩模台，用於支撐一掩模在曝光時候在小行程範圍內相對所述工件台同步運動；一投影物鏡，用於將掩模上圖形按預定比例投射至基底；其特徵在於，所述工件台依次步進至曝光場後，所述掩模台同步運動至所述工件台對應的位置並同時曝光。該發明同時公開一種該步進光刻設備的光刻曝光方法。
2020年7月14日，《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種步進光刻設備及光刻曝光方法
- 申請人：上海微電子裝備有限公司
- 申請日：2011年8月22日
- 申請號：2011102417913
- 公布號：CN102955368A
- 公布日：2013年3月6日
- 發明人：陳勇輝、吳立偉、張俊
- 地址：上海市浦東區張江高科技園區張東路1525號
- Int. Cl.：G03F7/20(2006.01)I
- 代理機構：北京連和連智慧財產權代理有限公司
- 代理人：王光輝
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
光刻設備是一種將掩模圖案曝光成像到矽片上的設備。已知的光刻設備包括步進重複式和步進掃描式。2011年之前的技術中所公開的使用縮減倍率投影物鏡的步進光刻機中，該投影物鏡的倍率為縮減的，即按1:N的比率將掩模圖案通過投影物鏡投射於基底上。2011年之前的技術中所公開的步進光刻機所使用的工件台，通常採用的結構為：粗動結構與微動結構相結合，或者是XY（水平向）運動台與旋轉台相結合，甚至是單個的粗動台結構。而2011年之前的技術中的光刻機的掩模台均為粗動台。
2011年之前的技術中的步進曝光方法為，當基底完成調平和對準後，在工件台上步進至指定位置後，需使該工件台保持一定精度的穩定狀態後才能進行曝光。採用傳統的縮減倍率的步進投影裝置和方法，工件台的步進精度要求很高，並且穩定時間要求很短，為此，整機難度較大，並且產能受穩定時間的嚴重影響。
如專利US2001/0021009、US6287735及US2009/0201475中公開的技術方案內容所示，上述專利均採用減少工件台質量、簡化工件台結構、最佳化控制方式等方式來改進步進光刻機，但仍然存在步進穩定所需時間長，產率較低的缺陷。
發明內容
專利目的
《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》的目的在於提供一種步進光刻設備及光刻曝光方法，能有效減少步進穩定時間，進一步減少曝光所需總時間，使光刻設備的產率提高。
技術方案
《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》公開一種步進光刻設備，包括：一照明單元，用於提供曝光光束；一工件台，用於支撐一基底在大行程範圍內進行六自由度運動；一掩模台，用於支撐一掩模在曝光時候在小行程範圍內相對所述工件台同步運動；一投影物鏡，用於將掩模上圖形按預定比例投射至基底；其特徵在於，所述工件台依次步進至曝光場後，所述掩模台同步運動至所述工件台對應的位置並同時曝光。
更進一步地，該投影物鏡的投影倍率為1:5。
更進一步地，該掩模台的步進行程小於30毫米，該工件台的步進行程大於30毫米。
更進一步地，該步進光刻設備還包括一位置測量系統。
更進一步地，該工件台的水平向運動裝置為H型結構，垂向運動裝置為凸輪結構。
更進一步地，該掩模台的水平向運動裝置為洛侖茲電機，垂向運動裝置為簧片機構。
更進一步地，該位置測量系統採用雷射干涉儀或編碼尺。
更進一步地，該掩模台同步運動至該工件台對應的XY和Rz位置。
《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》同時公開一種使用上述步進光刻設備的光刻曝光方法，其特徵在於，步驟一、進行曝光前準備工作；步驟二、工件台步進至第一曝光場後，掩模台同步運動至該工件台對應的位置並同時曝光；步驟三、判斷是否已經完成全部曝光場的曝光，如果判斷結果是“否”，則返回步驟二；如果判斷結果是“是”，則曝光結束。該步驟一包括上掩模，上基底，對所述基底實現全場對準。
改善效果
與2011年之前的技術相比較，該發明將2011年之前的技術中的工件台微動台轉移為掩模台微動結構，使整機難度降低。此外，採用該發明裝置工作時候，工件台粗動到曝光區域附近時，含微動結構的掩模台立即動態跟蹤工件台位置，由於在小範圍內的高頻跟蹤類似於掃描光刻機，此時可以同時曝光，因此，採用該裝置與方法不需要像傳統步進光刻機結構那樣，掩模台不動，而工件台步進必須位置穩定到指定精度內才可以曝光，所以說，採用該裝置與方法，步進穩定時間顯著減少，曝光總時間相應變少，產率相應變高。
附圖說明
圖1是《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》所涉及的步進光刻設備的結構示意圖；
圖2是步進光刻設備的工件台的俯視圖；
圖3是步進光刻設備的工件台的側視圖；
圖4是步進光刻設備的掩模台的俯視圖；
圖5是步進光刻設備的掩模台的側視圖；
圖6是步進光刻設備的位置測量系統的結構示意圖；
圖7是該光刻曝光方法的流程圖。
 圖1 |  圖2 |  圖3 |  圖4 |
 圖5 |  圖6 |  圖7 | / |
技術領域
《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》涉及積體電路裝備製造領域，尤其涉及一種步進光刻設備及光刻曝光方法。
權利要求
1.一種步進光刻設備，包括：一照明單元，用於提供曝光光束；一工件台，用於支撐一基底在大行程範圍內進行六自由度運動；一掩模台，用於支撐一掩模在曝光時候在小行程範圍內相對所述工件台同步運動；一投影物鏡，用於將掩模上圖形按預定比例投射至基底；其特徵在於，所述工件台依次步進至曝光場後，所述掩模台同步運動至所述工件台對應的位置並同時曝光。
2.如權利要求1所述的步進光刻設備，其特徵在於，所述投影物鏡的投影倍率為1:5。
3.如權利要求1所述的步進光刻設備，其特徵在於，所述掩模台的步進行程小於30毫米，所述工件台的步進行程大於30毫米。
4.如權利要求1所述的步進光刻設備，其特徵在於，所述步進光刻設備還包括一位置測量系統。
5.如權利要求1所述的步進光刻設備，其特徵在於，所述工件台的水平向運動裝置為H型結構，垂向運動裝置為凸輪結構。
6.如權利要求1所述的步進光刻設備，其特徵在於，所述掩模台的水平向運動裝置為洛侖茲電機，垂向運動裝置為簧片機構。
7.如權利要求4所述的步進光刻設備，其特徵在於，所述位置測量系統採用雷射干涉儀或編碼尺。
8.如權利要求1所述的步進光刻設備，其特徵在於，所述掩模台同步運動至所述工件台對應的XY和Rz位置。
9.一種使用如權利要求1至8任一項所述的步進光刻設備的光刻曝光方法，其特徵在於，步驟一、進行曝光前準備工作；步驟二、工件台步進至第一曝光場後，掩模台同步運動至所述工件台對應的位置並同時曝光；步驟三、判斷是否已經完成全部曝光場的曝光，如果判斷結果是“否”，則返回步驟二；如果判斷結果是“是”，則曝光結束。
10.如權利要求9所述的光刻曝光方法，其特徵在於，所述步驟一包括上掩模，上基底，對所述基底實現全場對準。
實施方式
在以下描述中，為了清楚展示《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》的結構及工作方式，將藉助諸多方向性詞語進行描述，但是應當將“前”、“後”、“左”、“右”、“外”、“內”、“向外”、“向內”、“上”、“下”等詞語理解為方便用語，而不應當理解為限定性詞語。此外，在以下描述中所使用的“X軸或X向”一詞主要指於水平向平行的坐標軸或方向；“Y軸或Y向”一詞主要指與水平向平行同時與X軸垂直的坐標軸或方向；“Z軸或Z向”一詞主要指與X軸Y軸均垂直的坐標軸或方向；“Rx軸”一詞主要指繞X軸旋轉的方向；“Ry軸”一詞主要指繞Y軸旋轉的方向；“Rz軸”一詞主要指繞Z軸旋轉的方向。
參見圖1，圖1是《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》所涉及的步進光刻設備的結構示意圖。如圖1中所示，該步進光刻設備包括照明系統1，掩模台2，及放置於掩模台2之上的掩模9，投影物鏡6，工件台4及放置於工件台4之上的基底7，以及整體框架5和位置測量系統3。該裝置實施例中，照明系統1採用汞燈照明，提供i線或gh線或ghi線曝光，形成常規照明。投影物鏡6採用1:M（M＞1）的縮減式物鏡，優選地採用1:5的縮減式物鏡。在《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》中，工件台4採用粗動結構並放置於整機框架5之間。掩模台2採用微動結構並放置於整機框架之上。基底7通過粗動台4依次步進到各曝光場，掩模9在基底7步進到指定曝光區域附近時，通過掩模微動台2動態跟蹤工件台的振動，在動態跟蹤的同時進行曝光。其中工件台4和掩模台2位置信息通過精密測量系統3測量。
《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》所涉及的步進光刻設備在工作時，工件台4粗動到曝光區域附近時，含微動結構的掩模台2立即動態跟蹤工件台4位置，由於在小範圍內的高頻跟蹤類似於掃描光刻機，此時可以同時曝光，因此，採用該裝置與方法不需要像傳統步進光刻機結構那樣，掩模台不動，而工件台步進必須位置穩定到指定精度內才可以曝光。
工件台4的詳細結構請參見圖2和圖3，其中圖2是步進光刻設備的工件台的俯視圖，圖3工件台的側視圖。工件台4是一個六自由度運動機構，即工件台可以滿足X、Y、Z、Rx、Ry、Rz六個方向的運動。其中，水平向採用H型架構直驅結構控制X、Y軸長行程運動，Rz軸根據H型的兼容型接口來設計，水平三軸測量採用干涉儀測量進行控制。垂向採用凸輪機構46實現Z、Rx、Ry軸的運動控制，採用編碼器測量。
工件台4水平向架構採用H型的驅動方案包括X驅動方向和Y驅動方向。X驅動方向包括兩個X嚮導軌41。兩個電機磁鐵定子43和導軌41裝配體安裝於工件台支撐框架上，X電機動子402與Y向橫樑導軌固連，提供X向和Rz向運動。Y向驅動包括一個Y嚮導軌45，Y向電機定子安裝於Y向橫樑導軌之上，動子安裝於曝光台框架上。橫樑導軌中間採用躺式直線電機。H型滑塊採用雙導軌氣浮導向，左側導軌為平導軌配置2個垂向氣浮墊47（真空預緊），只提供垂向支撐和導向，水平方向為自由。右側導軌為二維導軌49，約束Y向和Z向，可採用U型高剛性氣浮滑塊，左右兩側各兩個氣浮墊，互為預緊，垂向採用兩個氣浮墊（真空預緊）。該發明同時提供了工件台4的第二技術方案，即將右側導軌採用矽鋼導軌，採用磁預緊，氣浮滑塊採用2個垂向和單側Rz氣浮墊。Rz氣浮墊與Y嚮導軌之間可採用柔性塊連線。橫樑Y導軌兩側各2個X向氣浮墊，抵抗Y向運動的衝擊力和Rz的轉矩，壓縮氣體互為預緊。微動框架底部採用高剛度氣足401設計，由大理石台作導向平面，總計可用到12個氣浮墊和1個氣足。
工件台4的垂向運動機構除了音圈電機直驅方案，還採用傳統的凸輪機構46驅動。掩模台2的詳細結構請參見圖4和圖5，其中圖4是步進光刻設備的掩模台的俯視圖，圖5掩模台的側視圖。掩模台2的水平微動電機採用了三個洛倫茲電機驅動，包括用於提供X方向的洛倫茲電機SSZX，用於提供Y方向的洛倫茲電機SSY1和SSY2。掩模台4的下表面採用氣浮導向設計，由大理石26作平面導向。掩模台4安裝X、Y向兩塊平面反射鏡22、21，兼容支持5寸、6寸掩模。掩模台4無工位切換機構，提供掩模版交接接口，上版精度由微動音圈電機實現X、Y、RZ三自由度的精度指標和行程補償。掩模版通過真空被吸附在吸版台25上，吸版台25採用凸台設計。掩模台4垂向執行器23採用簧片機構：採用三個垂向支撐簧片連線大理石26和掩模台框架，具有垂向高剛度，水平低剛度。簧片與大理石26之間有柔性鉸鏈，解開Rx和Ry向的耦合。
該裝置實施例中，所採用的位置測量系統如圖6，水平向XYRz等採用雷射干涉儀測量，而Z向採用內置的編碼尺測量。除了掩模台2上設定X向平面反射鏡22、Y向平面反射鏡21外，工件台4上同樣設定了X向平面反射鏡42、Y向平面反射鏡44外.平面反射鏡反射雷射干涉儀出射的雷射，用於水平向XYRz測量。
使用《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》所公開的步進光刻設備的工作流程要點是：工件台通過粗動台依次步進到各曝光場，掩模台在工件台步進到指定曝光區域附近時，通過掩模台微動結構動態跟蹤工件台的振動，在動態跟蹤的同時進行曝光。如圖7中所示，圖7是該光刻曝光方法的流程圖。在進行光刻曝光之前，首先完成S1曝光前的準備工作，曝光前的準備工作具體包括上掩模S11，上晶片S12，對晶片實現全場對準S13。完成曝光前得準備工作S1後，進入第一次步進曝光S2，具體包括將工件台步進到第一個曝光場位置處S21，然後掩模台動態跟蹤工件台微小位置變化S22。在第一次步進曝光S2時，掩模台同步跟蹤工件台的運動，在動態跟蹤的同時進行曝光。因此步驟S2完成時，曝光S3同時完成。然後進行第二次步進曝光S4，第二次步進曝光S4的步驟和第一次步進曝光S2完全一致，包括將工件台步進到第二個曝光場位置處S41，然後掩模台動態跟蹤工件台微小位置變化S42。完成曝光S5後，判斷是否全部曝光場被曝光S6，如果判斷結果是否，則重新進入步驟S3，如果判斷結果是是，則光刻曝光結束，下晶片或換晶片S7。該實施例的一個優選技術方案為掩模台只跟蹤工件台的XY和Rz，這樣是為了進一步降低系統的複雜性。
《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》所定義的工件台和掩模台都是可在曝光的同時同步運動，所述粗動結構和微動結構的主要區別包括：其一，前者的XY向的行程比較大，比如都大於30毫米，而後者的行程比較小；其二，前者的定位精度（在晶片面或在晶片面投影）一般比後者低。
《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》裝置和傳統的步進光刻機的掩模台不存在曝光同時可動態運動的微動結構，而是簡單的鎖進結構或其它靜態結構；此外，傳統光刻機的工件台一般包含粗動台和微動台（或XY台與旋轉台，只有極少數為只用H型的粗動結構）。
此外，《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》方法和傳統步進機的顯著不同是，該發明在曝光的同時，掩模台同步跟蹤工件台的運動。而傳統步進光刻機的掩模台是不跟蹤工件台運動的。
因為《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》工件台只有粗動結構，所以該發明工件台方案比傳統工件台採用的粗動台加微動台結構（或XY台加Rz台）更簡單；同時，因為物鏡為1:5縮減式物鏡，所以掩模台水平XY向誤差比在工件台的精度要求放鬆了5倍，而垂向Z向的定位誤差被放鬆到25倍，因此該裝置中掩模台和工件台組成的系統比傳統工件台採用粗動+微動結構而掩模台曝光時固定的結構更為簡單。也就是說，該方案將傳統步進光刻機的工件台的微動台轉移到掩模台上，整機難度被大幅度降低。
採用《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》裝置工作時候，可以和傳統步進光刻機不一樣，即在工件台粗動到曝光區域的時候，掩模台通過微動結構動態跟蹤工件台位置，不需要工件台位置完全穩定即可曝光，因此全晶片曝光總時間變少，產率變高。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種步進光刻設備及光刻曝光方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
